以氢气为电子供体的膜生物还原反应器及工艺的制作方法

本发明涉及一种环保水处理设备及工艺,特别涉及一种利用氢气作为电子供体的还原水中的污染物，达到对水中污染物脱除的膜生物还原反应器及工艺。

背景技术：

在一个典型的膜生物反应器装置中，中空纤维膜组件可以增大生物膜与污水中污染物有效接触面积，以增强代谢作用。气体进入中空内腔后，扩散透过中空纤维膜膜壁并与膜外生物质接触，还原污水中被氧化污染物。当采用氢气作为还原气体时，气体利用率接近100％，剩余气体排放量少，从而减少运行成本。

通常，普通膜生物反应器装置在实验室和可控测试环境中运行良好，但在污水处理方面却存在问题。在一定膜反应器体积和处理时间下，高装填密度可以提高处理效率，即增加污染物去除速度。但是，高装填密度会导致生物淤堵，需要维护(如反洗、拆卸、清洁等)，反而降低膜生物反应器运行效率且增加运行成本。因此，尽可能高的装填密度，和尽可能少的淤堵并高效脱氮，是该装置和系统的改进目标。

技术实现要素：

本发明的目的是针对已有技术中存在的缺陷,提供一种以氢气为电子供体的膜生物还原反应器。本发明包括:箱体110、内芯132,气体通道、液体通道。其特征在于所述箱体110中心装有一根设有多个孔的中央芯管130。箱体110内设有内芯132。内芯132为数根中空纤维，中空纤维为管状结构被固定上夹板133、下夹板134之间。上夹板133、下夹板134上分别设有密封圈142与箱体110密封固定。

中央芯管130与箱体100内壁之间设有纤维组件。箱体110的上端盖144上设有进气口113，箱体110的下端盖145上设有出气口114，气体通道为气体的进气口113与上端盖144以及上夹板133之间的气道，并通过多根中空纤维内芯，经下夹板134与下端盖145之间的气道与出气口114连接。气体从进气口113进入，经上端盖144与上夹板133之间的气道，流过多根中空纤维管道，经下夹板134与下端盖145之间的气道由出气口114排出。惰性物质包括剩余气体、气体中微粒物质、从中空纤维外表面扩散进入内腔的液体和溶质、灰尘、微生物以及其他累积于中空纤维内腔的物质。气体从进气口113进入中空纤维132内腔，大部分气体扩散进中空纤维壁，供纤维管壁外表面的生物质生长。气体可以为氢气、氧气或者二氧化碳，取决于有机质及其新陈代谢类型。

箱体110的外壁上在不同的高度设有数个出水口148，箱体110的内壁上设有一根多孔管149，多孔管149与出水口148连接，进水口146穿过下端盖145与中央芯管130连接，液体通道为未经处理水的进水口146经中央芯管130上的出水孔与内芯132相连，经多根中空纤维、纤维组件和多孔管149与出水口148连接。未经处理的水从进水口146经中央芯管130上的出水孔进入内芯132。沿径向向外流动，即从中央芯管130向箱体110外壁流动。未经处理的水与中空纤维外表面接触，并在此形成生物质。生物质中所含一种或多种微生物能够吸附、降解污水中污染物，从而降低流出水中污染物含量。并透过纤维组件经多孔管149由出水口148排出，这样使水形成径向流动，径向流动模式能够减少装置中生物质淤堵。箱体110的外壁或下端盖145上设有与内芯132相通的清洗进气口115。

所述中央芯管130管壁上一处或多处设有出水孔。

所述中空纤维，外径为250～350μm，内径约120～170μm。

中空纤维的材料为：三乙酸纤维素(cta)或聚对苯二甲酸乙二酯(pet)或聚三亚甲基丁二酯(ptt)或聚对苯二甲酸丁二酯(pbt)或聚对萘二甲酸乙二酯(pen)或聚对苯二甲酸环己基丁二酯(pcta)或聚碳酸酯(pc)、聚对萘二甲酸丁二酯(pbn)和聚乳酸(pla)。

聚酯可用于生产膜生物反应器中空纤维。聚酯的许多优越性体现在当纤维被缠绕编织成绳、布等形式时，易加工成纤维和薄片。pet和其他二羟基醇与对苯二甲酸聚酯常用来加工成绳。

除了生产成本以外，聚酯还具有强度高、有弹性、耐磨损、耐拉伸和压缩的优点。聚酯纺织品抗皱、抗霉、快干且在热处理压皱时不变形。聚酯产品对氧化剂、洗涤剂和表面活性剂表现出优良耐受能力。在户外或uv光照下通常需要加入uv稳定剂来抵抗日照。

与大多数热塑性塑料相似，聚酯可回收，原始聚酯、循环聚酯、废聚酯、循环单体及其相关物质均可回收。一些聚酯，包括pet，由于只含碳、氧和氢(即无硫、磷、氮等)，非常适合焚烧处理。

中空纤维可以捆绑成束构成复合丝，再组装成组件用于生物反应器中。小于10dtex的中空纤维(dexitex＝1g/10000m)适合制成复合丝，而大于100dtex的中空纤维常用作单纤维。中间范围的中空纤维则可以采用任意一种形式。单纤维和复合丝均可用作弯曲织物和纬线。中空纤维最佳形状为圆形，中空纤维最佳粘性(t)为10～80cn/tex，最好是20～60cn/tex。

所述纤维组件以中央芯管130为轴心螺旋缠绕在多根中空纤维之间的空隙内。

所述纤维组件的材料为：三乙酸纤维素、聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚氨酯及其化合物制成。径向纤维外径应为100～500μm，或150～450μm，或200～400μm。

所述密封圈为142为o形环或四边形环的密封圈。

所述反应器可单独运行或并联或串联运行。

膜生物反应器设有清洗气进气口115，向中空纤维外壁导入清洗气体，洗气进气口位于箱体110的底部或下端盖145之上。使洗气进入箱体110内部和中空纤维外壁。洗气可以在正常运行或反洗时导入。洗气采用氮气。由于洗气需要排入大气中，易燃或有毒气体不适用。洗气也可以循环导入。因此，膜生物反应器还可配有任意数目的洗气和清洗剂导入口。

本发明的工艺特征包括如下步骤：

a.未经处理的水从进水口146经中央芯管130上的出水孔进入内芯132，沿径向向外流动与中空纤维外表面大面积接触，透过纤维组件处理后的水由出水口148排出；

b.未经处理的水从进水口146进入的同时，气体从进气口113进入，流过多根中空纤维内芯管道，经出气口114排出，进入中空纤维132内腔的气体大部分扩散进中空纤维壁，与水接触，使纤维管壁外表面的微生物细菌生长，进入内芯的液体和溶质、灰尘、微生物以及其他累积于中空纤维内腔的物质经出气口114排出；

c.在膜生物还原反应器中自养微生物细菌，在内芯132上形成生物膜，通过微生物细菌吸附、降解污水中污染物，代谢废水中氧化型污染物。

膜生物还原反应器中ph最好能维持在8～9，以供生物质良好的生长。该ph范围可以通过向膜生物反应器中导入二氧化碳来实现。所有测试用膜生物反应器都需要周期清洗来降低生物质累积。采用反洗、氮气清洗和间或拆卸清洗相结合的方案可以获最佳清洗效果。

膜生物还原反应器的循环水占排出水的40％～50％。将部分(如40～50％)污水循环流回到径向流膜生物反应器中，可以提高污染物去除量。主要原因为循环使已处理污水与未处理污水混合，从而稀释了污水中总溶解氧量，促进生物质利用硝酸盐作为电子受体，而非氧气。

膜生物还原反应器能够提高污水流过覆盖有生物质的中空纤维上的速率和均匀性，增加污染物去除，减少生物淤堵，提高周期清洗效率。多种径向流膜生物反应器性能测试结果表明，径向流膜生物反应器优于与其他流动形式的传统膜生物反应器。

本发明的优点是一种以氢气为电子供体的膜生物还原反应器，在污水处理方面实现高装填密度和较少的淤堵，提高处理效率，增加污染物去除速度。

附图说明

图1本发明的剖视结构示意图；

图2本发明的测试系统结构示意图。

图中：110外箱体、113进气口、114出气口、115清洗进气口、130中央芯管、132内芯、上夹板133、下夹板134、135纤维组件、142密封圈、144上端盖、145下端盖、145下端盖、146进水口、148出水口、149多孔管。反应器200、自动进料循环泵210、料液贮槽220、氢气传送系统250、氮气传送系统255、二氧化碳传送系统260、取样口290、三通阀270、氮气进气口256/257。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实施例：

参见图1，本实施例的箱体110中心装有一根设有多个孔的中央芯管130，中央芯管130管壁上一处或多处设有出水孔。箱体110内设有内芯132。内芯132为数根中空纤维，中空纤维为管状结构被固定上夹板133、下夹板134之间，上夹板133、下夹板134上分别设有密封圈142与箱体110密封固定。密封圈为142为o形环或四边形环的密封圈。本实施例为o形环密封圈。

中央芯管130与箱体100内壁之间设有纤维组件。纤维组件以中央芯管130为轴心螺旋缠绕在多根中空纤维之间的空隙内，纤维组件为中空纤维与径向纤维共同构成编织物。

箱体110的上端盖144上设有进气口113，箱体110的下端盖145上设有出气口114。气体通道为气体的进气口113与上端盖144以及上夹板133之间的气道，并通过多根中空纤维内芯，经下夹板134与下端盖145之间的气道与出气口114连接。气体从进气口113进入，经上端盖144与上夹板133之间的气道，流过多根中空纤维管道，经下夹板134与下端盖145之间的气道由出气口114排出。惰性物质包括剩余气体、气体中微粒物质、从中空纤维外表面扩散进入内腔的液体和溶质、灰尘、微生物以及其他累积于中空纤维内腔的物质。气体从进气口113进入中空纤维132内腔，大部分气体扩散进中空纤维壁，供纤维管壁外表面的生物质生长。气体可以为氢气、氧气或者二氧化碳，取决于有机质及其新陈代谢类型。

箱体110的外壁上在不同的高度设有数个出水口148，本实施例为四个出水口，分别为出水口148、出水口148a、出水口148b、出水口148c。沿箱体110外壁长度方向分布。箱体110的内壁上设有一根多孔管149，多孔管149与出水口148、148a、148b、148c连接，进水口146穿过下端盖145与中央芯管130连接。液体通道为未经处理水的进水口146经中央芯管130上的出水孔与内芯132相连，经多根中空纤维、纤维组件和多孔管149与出水口148、148a、148b、148c连接。未处理的水从进水口146经中央芯管130上的出水孔进入内芯132，沿径向向外流动，即从中央芯管130向箱体110外壁流动。未处理的水与中空纤维外表面接触，并在此形成生物质。生物质中所含一种或多种微生物能够吸附、降解污水中污染物，从而降低流出水中污染物含量。并透过纤维组件经多孔管149由出水口148或出水口148a、148b、148c排出，这样使水形成径向流动，径向流动模式能够减少装置中生物质淤堵。箱体110的外壁或下端盖145上设有与内芯132相通的清洗进气口115。

膜生物还原反应器可单独运行或并联或串联运行，本实施例为单独运行。

中空纤维的材料为：三乙酸纤维素(cta)或聚对苯二甲酸乙二酯(pet)或聚三亚甲基丁二酯(ptt)或聚对苯二甲酸丁二酯(pbt)或聚对萘二甲酸乙二酯(pen)或聚对苯二甲酸环己基丁二酯(pcta)或聚碳酸酯(pc)、聚对萘二甲酸丁二酯(pbn)和聚乳酸(pla)。本实施例内芯132上的中空纤维由可熔纺聚酯制成，外径为300μm，内径约150μm。可熔纺聚酯经熔化后通过喷丝器压缩喷出，在水中或空气流中淬火，受热一步或多步展开，再由绕线机缠绕而成。中空纤维是纤细、极长、具有柔韧性的聚酯纤维管，可以按任意长度切断。通常，中空纤维外表面暴露于废水中，内表面与气流接触。内表面形成中空结构。

纤维组件的材料为：三乙酸纤维素、聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚氨酯及其化合物制成。径向纤维外径应为100～500μm，或150～450μm，或200～400μm。本实施例的纤维组件为径向纤维和夹层材料。径向纤维和夹层材料由三乙酸纤维素制成。径向纤维为150丹尼聚酯，外径约300μm，内径约150μm。

本实施例的工艺特征包括如下步骤：

a.未经处理的水从进水口146经中央芯管130上的出水孔进入内芯132，沿径向向外流动与中空纤维外表面大面积接触，透过纤维组件处理后的水由出水口148或148a、148b、148c排出；

b.未经处理的水从进水口146进入的同时，气体从进气口113进入，流过多根中空纤维内芯管道，经出气口114排出，进入中空纤维132内腔的气体大部分扩散进中空纤维壁，与水接触，使纤维管壁外表面的微生物细菌生长，进入内芯的液体和溶质、灰尘、微生物以及其他累积于中空纤维内腔的物质经出气口114排出；

c.在膜生物还原反应器中自养微生物细菌，在内芯132上形成生物膜，通过微生物细菌吸附、降解污水中污染物，代谢废水中氧化型污染物。

膜生物还原反应器的测试：

一种以氢气为电子供体的膜生物还原反应器性能测试系统如图2所示。该系统包括该装置200、自动进料循环泵210、料液贮槽220、氢气传送系统250、氮气传送系统255和二氧化碳传送系统260。取样口290可供取样分析。待净化水泵入膜生物反应器200中带孔中央芯管，沿径向流过中空纤维，在箱体内收集后从一个或多个出水口排出。

在该系统中，通过两个三通阀270调节使出水口污水逆向流动。在逆向流动中，水从出水口流向中空纤维外壁进行清洗并收集于带孔中央芯管中，完成对中空纤维的反洗。反洗一般每天1～6次，来降低膜生物反应器中背压(压降)。通过反洗，膜生物反应器压降回到1～2psi的正常值。

测试系统配有氮气传送系统255和多个(如2个)氮气进气口256，257。膜生物反应器200底部周围的氮气进气口256用于箱体和中空纤维外表面的清洗，从而减少生物质，降低压降。氮气进气口257位于膜生物反应器200中带孔核心管进料线上，可以沿中央芯管导入氮气，用来进一步清洗中空纤维。气体清洗对于避免生物质过量生长非常重要，减少因生物质过量生长而产生的膜生物反应器压降。测试系统还配有气体分隔出口阀295，用于通入气体清洗所用氮气和导出氮气还原后生成的硝酸盐。其他惰性气体甚至空气都可以用于气体清洗。

测试系统还配有二氧化碳传送系统260和二氧化碳进气口。二氧化碳导入后可以调节(如降低)膜生物反应器200中ph或为自养微生物提供碳源。例如，如式1所示，硝酸盐自还原生成氢氧根(oh-)。二氧化碳与氢氧根反应生成而碳酸氢盐。二氧化碳导入量一般与被还原的硝酸盐量有关，并且维持膜生物反应器内ph在7-8。

2.5h2+no3-→0.5n2+2h2o+oh^-(1)。